L’optogénétique est le contrôle de l’action cellulaire en utilisant une combinaison de techniques génétiques et optiques. Cette méthode a commencé avec la découverte de produits biochimiques qui produisent des réponses cellulaires lorsqu’ils sont exposés à la lumière. En isolant les gènes qui codent pour ces protéines, les scientifiques les utilisent pour stimuler les réponses lumineuses dans d’autres cellules vivantes. Les connaissances acquises grâce à l’optogénétique offrent aux chercheurs une meilleure compréhension des divers processus pathologiques.
Dans les années 1970, les scientifiques ont découvert que certains organismes produisent des protéines qui contrôlent les charges électriques qui traversent normalement les membranes cellulaires. Ces protéines provoquent une interaction entre les cellules lorsqu’elles sont exposées à certaines longueurs d’onde de la lumière. Ces protéines, communément appelées protéines G, sont codées par un groupe de gènes appelés opsines. Pendant ce temps, les chercheurs ont découvert que les bactériorhodopsines réagissaient au feu vert. D’autres recherches ont découvert d’autres membres de la famille des opsines, notamment la channelrhodopsine et l’halorhodopsine.
Au cours de la décennie 2000 à 2010, les neuroscientifiques ont découvert qu’il est possible d’extraire des gènes de l’opsine et de les insérer dans d’autres cellules vivantes, qui acquièrent alors la même photosensibilité. L’une des méthodes initialement utilisées consistait à éliminer les gènes de l’opsine, à les combiner avec un virus bénin et à les insérer dans des neurones vivants dans une boîte de Pétri. Lorsque les cellules injectées ont été exposées à des impulsions de lumière verte, les neurones ont répondu en ouvrant des canaux ioniques. Avec les canaux ouverts, les cellules ont reçu un afflux d’ions qui a fait circuler un courant électrique, initiant la communication avec un autre neurone. Les scientifiques ont découvert que d’autres protéines G réagissent à différentes couleurs de lumière, inhibant ou améliorant les canaux ioniques calciques et la libération d’épinéphrine.
La recherche est finalement passée de l’application de l’optogénétique à un petit groupe de cellules vivantes à l’utilisation de mammifères vivants. En introduisant les gènes de l’opsine dans le cerveau des souris, les cellules ont commencé à produire les protéines G. Avec ces protéines G et ces fibres optiques, les scientifiques ont pu contrôler le taux de décharge des neurones. Ils ont également développé une méthode de conversion d’une petite fibre optique en une électrode pour fournir une lecture électrique de l’activité cellulaire. Cette interface cerveau-ordinateur permet aux chercheurs d’évaluer et de réguler des groupes spécifiques de cellules n’importe où dans le cerveau.
En combinant l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et l’optogénétique, les chercheurs sont en mesure de cartographier les activités et les voies neuronales dans le cerveau. En explorant les subtilités de la fonction neurologique, les médecins acquièrent une meilleure compréhension de ce qui constitue une activité cérébrale normale et anormale. Contrairement aux médicaments et à l’électrothérapie, l’optogénétique permet la régulation de cellules et de voies spécifiques. Les connaissances et la technologie issues de l’optogénétique permettent également de contrôler la fonction des cellules cardiaques, des lymphocytes et des cellules pancréatiques sécrétrices d’insuline.